CN117556605A - 一种多体制雷达仿真系统及其控制方法 - Google Patents

一种多体制雷达仿真系统及其控制方法 Download PDF

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CN117556605A CN202311502618.3A CN202311502618A CN117556605A CN 117556605 A CN117556605 A CN 117556605A CN 202311502618 A CN202311502618 A CN 202311502618A CN 117556605 A CN117556605 A CN 117556605A
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Abstract

本发明属于雷达系统仿真技术领域，公开了一种多体制雷达仿真系统及其控制方法，该系统前端为软件显示平台，用于显示系统运行状态以及系统各个模块的仿真结果，实现人机交互；后端集成雷达算法模块库，雷达算法模块库集成雷达信号处理算法，包括雷达信号生成模块、目标信号生成模块、杂波信号生成模块、信号叠加模块、脉冲压缩模块、杂波干扰抑制模块和回波成像模块。本发明的多体制雷达仿真系统支持全流程的雷达信号处理仿真，可以实现窄带雷达信号处理以及宽带雷达信号成像处理。本发明建立散射点目标模型库，支持不同目标的雷达信号处理与仿真。本发明还提供实测数据处理的输入接口，这极大扩展了软件的使用范围，具有极优的人机交互体验。

Description

一种多体制雷达仿真系统及其控制方法
技术领域
本发明属于雷达系统仿真技术领域，尤其涉及一种多体制雷达仿真系统及其控制方法。
背景技术
当前雷达行业快速发展，雷达系统在军事和民用领域都有着很广泛的影响，长期以来我国的雷达制造水平有了长足的发展，雷达相关专业的学习者也逐渐增多，但是仍然存在许多问题，在系统的仿真领域起步较晚，随着雷达系统的日益复杂，不同体制的雷达往往工作在不同波段范围，雷达的带宽、脉宽等基本参数也因不同的使用场景而不同，进行雷达系统软件仿真的难度也越来越大，软件系统的规模和复杂性也日益增加，所以需要设计一种集成众多体制雷达的仿真系统以供初学者学习使用。
雷达信号仿真系统的设计与实现是雷达信号理论工程实现的重要途径之一，雷达系统仿真就是通过建立雷达系统模型复现雷达系统的动态工作过程。它仿真的对象是雷达系统，包括雷达发射信号，雷达回波和回波环境；仿真的方式是复现蕴含雷达回波场景信息的雷达回波信号及其传递、处理的动态过程，从时间关系上看，就是重现一个随机的时间序列。
专利号为“CN201110460669.5”的名为“一种通用的雷达仿真系统及其仿真应用方法”的中国发明专利公开了一种通用的雷达仿真系统及其仿真应用方法，该系统包括层次化的雷达仿真组件模型库、雷达仿真组件接口规范、雷达仿真组件元数据以及通用仿真模型库分系统。其中，分系统模型层用来描述雷达仿真应用系统的功能，并包括目标与环境特性模型分系统、雷达装备模型分系统以及评估模型分系统；对象模型层有若干对象模型，而且如目标与环境特性模型分系统的对象模型组成有：目标特性对象模型、环境特性对象模型、杂波信号对象模型以及干扰信号对象模型。但只是涉及到了目标特性对象模型、环境特性对象模型、杂波信号对象模型以及干扰信号对象模型，具体的仿真方式并没有公开。
专利号为“CN202211368050.6”的名为“一种雷达目标模拟器实时仿真软件的设计方法”的中国发明专利介绍了一种雷达目标模拟器实时仿真软件的设计方法，由于雷达目标仿真根据不同的使用情况需要单独设计，该发明解决了每次设计时如何快速确定最优的仿真设计的问题。但此发明仅针对雷达目标最优建模的过程，而没有实现从仿真雷达发射信号到仿真目标回波，再到处理目标回波这一完整的雷达信号处理流程。
文献《通用脉冲雷达信号仿真软件设计与实现》(张华杰，《火力与指挥控制》,2021,46(02):97-103)公开了一种通用脉冲雷达信号仿真软件，基于Matlab仿真软件典型的雷达脉冲信号进行了仿真实现。然而该软件仅给出信号的时域波形、频谱及其三维模糊函数图作为仿真结果输出，可以认为只是对发射信号进行了仿真分析，并没有模拟目标回波处理的功能。
通过分析上述发明发现，大部分的雷达系统仿真软件仅实现了信号处理过程中的部分环节，没有实现从基本信号建模到回波处理成像全流程的雷达仿真软件；而且只是面向单一体制雷达的仿真，没有涵盖多种体制的雷达仿真；忽略实测数据验证这一功能，使得软件的全面性受限。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有雷达系统仿真软件仅实现了信号处理过程中的部分环节，而没有实现从基本信号建模到回波处理成像全流程的雷达仿真软件。
(2)现有技术只是面向单一体制雷达的仿真，没有涵盖多种体制的雷达仿真；忽略实测数据验证这一功能，使得软件的全面性受限。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种多体制雷达仿真系统及其控制方法，所述技术方案如下：
本发明是这样实现的，多体制雷达仿真系统，前端为软件显示平台，用于显示系统运行状态以及系统各个模块的仿真结果，实现人机交互；后端集成雷达算法模块库，雷达算法模块库集成雷达信号处理算法，包括雷达信号生成模块、目标信号生成模块、杂波信号生成模块、信号叠加模块、脉冲压缩模块、杂波干扰抑制模块和回波成像模块；
其中，雷达信号生成模块，用于通过读取输入界面的参数设置实现雷达基带信号的仿真，并产生各个波段的雷达仿真信号；
目标信号生成模块，用于在生成雷达基带信号后根据设置的参数生成相应的雷达回波信号，并构建目标回波数学模型；
杂波信号生成模块，用于仿真环境中的各类杂波，根据输入界面的选择生成相应的杂波信号；
信号叠加模块，用于仿真目标回波信号与杂波信号叠加，生成模拟实际场景下的目标回波信号；
脉冲压缩模块，用于利用参考信号与回波信号的互相关实现脉冲压缩处理，通过脉冲压缩得到目标的距离信息；
杂波干扰抑制模块，用于读取脉冲压缩保存的数据作为输入，利用动目标显示算法滤除静态杂波，实现杂波抑制处理；
回波成像模块，用于将干扰杂波抑制后的数据进行雷达成像处理，窄带回波经傅里叶变换生成RD谱；宽带回波进行平动补偿和转动补偿处理后，再经过方位向傅里叶变换实现ISAR成像。
本发明的另一目的在于提供一种控制方法，该控制方法用于对所述的多体制雷达仿真系统进行调控，该控制方法包括以下步骤：
S1，雷达信号生成模块读取输入参数设置界面的参数信息，并进行雷达基带信号仿真，生成各个频段的雷达仿真信号并保存；
S2，在生成雷达基带信号后，目标信号生成模块根据设置的参数生成雷达回波信号，并构建目标回波数学模型；
S3，利用杂波信号生成模块仿真环境中的杂波，根据输入界面的选择生成杂波信号；利用信号叠加模块仿真目标回波信号与杂波信号叠加，生成模拟实际场景下的目标回波信号；
S4，读取雷达信号生成模块保存的数据作为匹配滤波的参考信号，读取目标信号生成模块保存的数据作为仿真的雷达回波，实现脉冲压缩仿真；
S5，读取脉冲压缩保存的数据作为输入，根据选择的杂波抑制算法实现杂波抑制处理，消除杂波对目标成像识别的影响；
S6，根据设置的雷达仿真模式执行对应的成像算法确定仿真模式，读取经过杂波抑制的数据作为输入，实现相应模式下的回波成像处理。
在步骤S1中，参数信息包括工作波段、工作带宽、脉冲宽度和信号类型；信号类型包含线性调频、非线性调频和相位编码；频段包括C,X,Ku,Ka。
线性调频脉冲信号的载频在脉冲宽度范围内线性变化，复数表达式为：
式中，s(τ)为线性调频脉冲信号的数学模型，为矩形窗函数，τ为快时间间隔，T为脉冲重复周期，e为指数函数，j为虚数单位，f0为初始载频；K为发射线性调频信号的调频斜率，K＝B/T，B为信号带宽。
雷达基带信号仿真生成的数据以.mat的格式保存至软件系统的输出数据文件夹，同时将信号波形图在界面进行显示。
在步骤S2中，目标信号生成模块根据设置的参数生成雷达回波信号，并构建目标回波数学模型，包括：
在窄带仿真模式下，目标信号生成模块根据输入参数进行点目标的运动形式的建模；输入参数包括：目标类型、目标距离和目标速度。
针对线性调频脉冲信号，接收到的目标回波数学模型为：
式中，SR(τ,t)为接收目标回波数学模型，rect()为矩形窗函数，τ为快时间间隔；td为信号在雷达和目标间往返的时间延迟，td＝2R/c，R为目标相对雷达的距离，c为光速；T为脉冲重复周期，t为慢时间间隔，Ta为观测的积累时间，e为指数函数，j为虚数单位，f0为初始载频，K为发射线性调频信号的调频斜率。
在宽带仿真模式下，目标信号生成模块根据目标类型建立目标散射点模型和转台成像模型；当在一个相干处理间隔内，旋转角变化为Δθ(t)＝θ′-θ，则目标上散射点P(x,y)相对雷达距离的变化为：
式中，P(x,y)为散射点P在旋转模型中的坐标，R(t)为转台成像模型中散射点P与雷达之间的距离随时间的变化关系，R0为目标中心到雷达之间的距离，x为散射点P在转台模型上的横坐标，y为纵坐标，Δθ(t)为旋转角随时间的变化量，θ(t)为在相干处理间隔较小的情况下Δθ(t)的近似表示，θ′为旋转后的角度，θ为旋转前的角度，ω为旋转角速度，α为旋转角加速度，o为高阶无穷小符号。
接收到的目标回波数学模型为：
当在仿真阶段生成雷达基带信号后，目标信号生成模块根据设置的参数生成相应的雷达回波信号，其中雷达回波信号包含设置的杂波和环境噪声，目标信号仿真生成的数据以.mat的格式保存至软件系统的输出数据文件夹。
在步骤S3中，杂波包括地杂波和气象杂波。
在步骤S4中，脉冲压缩仿真，包括：读取雷达信号生成模块保存的数据作为匹配滤波的参考信号，读取目标信号生成模块保存的数据作为仿真的雷达回波，利用参考信号与雷达回波的互相关实现脉冲压缩的仿真；
脉冲压缩仿真生成的数据以.mat的格式保存进软件系统的输出数据文件夹，生成的一维距离像结果以图片方式在脉冲压缩界面显示。
在步骤S5中，根据选择的杂波抑制算法实现杂波抑制处理，消除杂波对目标成像识别的影响，包括：
利用动目标显示算法设计带阻滤波器滤除静态杂波；采用两脉冲对消器实现MTI杂波抑制模块的设计，将本时刻发射脉冲的回波与前一时刻发射脉冲的回波相减，除去固定目标和慢速杂波，保留运动目标信息；
杂波干扰抑制仿真输出的数据以.mat格式保存至软件系统的输出数据文件夹，杂波抑制前后的效果对比图在杂波抑制界面显示。
在步骤S6中，实现相应模式下的回波成像处理，包括：
根据设置的雷达仿真模式执行对应的成像算法，如果选择为窄带仿真模式，则执行RD谱成像模式；如果选择为宽带仿真模式，则执行ISAR成像仿真模式；
仿真模式确定后，读取经过杂波抑制的数据作为输入，实现相应模式下的回波成像处理；其中，回波成像仿真相应的输出数据以.mat格式保存至软件系统的输出数据文件夹，结果显示在回波图像界面；
干扰杂波抑制后的数据输出至雷达成像模块，窄带回波经傅里叶变换生成RD谱，宽带回波经过运动补偿和转动补偿处理实现ISAR成像；对脉冲压缩后的数据进行慢时间维度的傅里叶变换实现RD谱成像处理；
将目标相对雷达运动形式分解为平动分量、转动分量和绕动分量，经过平动补偿后，非合作目标的回波被转换为转动模型；
平动补偿包括包络对齐和相位校正两个步骤，包络对齐用于消除目标平动造成的雷达回波在距离向的错位；最小熵法包络对齐利用熵值表征相邻包络间的相似性，将熵最小锐化度最大时对应的延迟量作为包络对齐的补偿值。
进一步，宽带回波经过运动补偿和转动补偿处理实现ISAR成像包括：
脉冲压缩后信号形式为：
式中，S(τ,t)为脉冲压缩后的信号形式，τ为快时间间隔，t为慢时间间隔，为矩形窗函数，Ta为观测的积累时间，B为信号带宽，td为信号在雷达和目标间往返的时间延迟，e为指数函数，j为虚数单位。
由于ISAR目标是运动的，故td引入多普勒频率：
f＝2ωx/λ
β＝2ax/λ
式中，R0为目标中心到雷达之间的距离，y为散射点P在转台模型上的纵坐标，c为光速，λ为波长，f为多普勒频率，β为多普勒斜率。
当距离单元τ＝2(R0+y)/c在不同方位向位置包含K个散射点，距离单元中的接收信号表示为：
式中，K为仿真模型中不同方位向位置包含的散射点数目。
sinc项中的时延表示包络偏移，进行包络补偿后去除偏移造成的影响；相位项由R0+y引起，通过相位补偿去除影响；相位项/>由xωt引起，表示多普勒频率，通过方位向的傅里叶变换得到ISAR最终成像结果。
进一步，包络对齐后使用相位梯度自聚焦，采用对多特显点单元进行多次迭代和加窗的方法进行目标特显点单元的初相校正，包括中心移位、加窗、相位梯度估计以及相位校正，包络对齐的具体步骤如下：
第一步：将图像数据进行中心移位：确定每个距离行上的最强反射点，将最强反射点移至中心，以去掉目标点的多普勒频率偏移；
第二步：加窗：利用加窗去掉对相位误差估计无用的数据，仅保留目标点由于相位误差所造成的模糊区域，确定误差的支撑域；
第三步：利用误差相位对于距离向的冗余特性，将数据转化为距离压缩域，依据一定的最优准则对相位梯度进行估计；
第四步：对相位梯度进行积分，估计相位误差；在距离压缩域中补偿相位误差；最后还原至图像域，完成单次算法循环；对算法进行迭代执行，直至估计偏差满足需求为止。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明基于模块化思想设计了一种多体制雷达仿真系统，系统软件界面基于QT进行开发，仿真波段涵盖了C波段、X波段、Ka波段、Ku波段等常用工作频段，同时支持线性调频、非线性调频、编码信号等多种类型的基带发射信号的仿真。本发明的整套多体制雷达仿真系统支持全流程的雷达信号处理仿真，可以实现窄带雷达信号处理以及宽带雷达信号成像处理。本发明的系统软件建立了包括车辆、飞机等几种常见目标的散射点目标模型库，支持不同目标的雷达信号处理与仿真。同时，本发明的多体制雷达仿真系统还提供实测数据处理的输入接口，这极大扩展了软件的使用范围，具有极优的人机交互体验。
本发明设计的雷达仿真软件实现了雷达信号处理的全过程仿真，同时设计中包含环境杂波仿真模块和杂波与干扰抑制模块，可以模拟实现环境杂波对回波造成的影响。为解决现有技术面向单一体制雷达的问题，本发明实现了窄带跟踪雷达和宽带成像雷达两种工作模式的仿真，建立了包括车辆、飞机等几种常见目标的散射点目标库模型，支持不同目标的雷达信号处理与仿真。为解决现有仿真软件中忽略实测数据验证这一功能，本发明补充了实测数据的输入端口，设计中加入实测数据验证仿真功能后，进一步增加了软件的使用范围。
另外，本发明的多体制雷达仿真系统还具有以下积极效果：
1.支持全流程雷达信号处理仿真。
本发明所设计的雷达仿真软件包含雷达发射信号生成模块、雷达回波仿真模块、脉冲压缩模块、成像处理模块，实现了雷达信号处理的全过程仿真。同时，本发明的设计中包含环境杂波仿真模块和杂波与干扰抑制模块，可以模拟实现环境杂波对回波造成的影响。
2.支持多体制雷达系统仿真。
本发明可以实现窄带跟踪雷达和宽带成像雷达两种工作模式的仿真；其中，每种工作模式可以仿真多种工作波段和工作带宽。本发明在软件的宽带成像雷达设计中，设计建立了飞机、车辆等多类典型目标的散射点模型，利用此目标库实现ISAR成像的仿真。
3.支持实测数据处理，扩展软件使用范围。
本发明提供实测数据处理的输入接口；在窄带模式下，可以实现输入脉冲压缩数据后对其进行杂波干扰抑制和成像处理；在宽带模式下，可以实现对实测数据的ISAR成像处理，进一步增加了软件的使用范围。
作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
1.本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明设计了一种集成众多体制雷达的仿真系统，可以面向雷达专业高校学生、初学者使用，具有一定的商业价值。
2.本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：通过调研发现，目前大部分已公开的雷达仿真系统发明专利仅仅实现了信号处理过程中的部分环节，没有实现从基本信号建模到回波处理成像全流程的雷达仿真软件；同时没有完善的实测数据验证功能，使得软件的全面性受限。针对以上问题，本发明进行了技术上的弥补改进，填补了相关仿真系统的应用空白。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理；
图1是本发明实施例提供的多体制雷达仿真系统的控制方法流程图；
图2是本发明实施例提供的多体制雷达仿真系统结构示意图；
图3(a)是本发明实施例提供的线性调频信号仿真结果示意图；
图3(b)是本发明实施例提供的非线性调频信号仿真结果示意图；
图3(c)是本发明实施例提供的相位编码信号仿真结果示意图；
图3(d)是本发明实施例提供的单频信号仿真结果示意图；
图4是本发明实施例提供的宽带目标转台运动模型示意图；
图5(a)是本发明实施例提供的线性调频信号脉冲压缩仿真结果示意图；
图5(b)是本发明实施例提供的非线性调频信号脉冲压缩仿真结果示意图；
图5(c)是本发明实施例提供的相位编码信号脉冲压缩仿真结果示意图；
图5(d)是本发明实施例提供的单频信号脉冲压缩仿真结果示意图；
图6是本发明实施例提供的一次对消滤波器结构图；
图7是本发明实施例提供的最小熵法包络对齐步骤框图；
图8(a)是本发明实施例提供的车辆目标散点模型ISAR成像仿真结果示意图；
图8(b)是本发明实施例提供的飞机目标散点模型ISAR成像仿真结果示意图；
图9是本发明实施例提供的Yak-42实测数据ISAR成像结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
实施例1，如图1所示，本发明实施例提供的多体制雷达仿真系统的控制方法包括以下步骤：
S101，雷达信号生成模块读取输入参数设置界面的参数信息并进行雷达基带信号仿真，生成各个频段的雷达仿真信号并保存；
S102，在生成雷达基带信号后，目标信号生成模块根据设置的参数构建目标回波数学模型并生成相应的雷达回波信号；
S103，读取雷达信号生成模块保存的数据作为匹配滤波的参考信号，读取目标信号生成模块保存的数据作为仿真的雷达回波，实现脉冲压缩的仿真；
S104，读取脉冲压缩保存的数据作为输入，根据选择的杂波抑制算法实现杂波抑制处理，消除杂波对目标成像识别的影响；
S105，根据设置的雷达仿真模式执行对应的成像算法确定仿真模式，读取经过杂波抑制的数据作为输入，实现相应模式下的回波成像处理。
本发明的多体制雷达仿真系统总体架构如图2所示，前端为软件显示平台，后端集成了基本的雷达算法模块库。软件显示平台实现人机交互，显示系统运行状态及系统各个模块的仿真结果，是系统必要的组成部分。雷达算法模块库集成了基本的雷达信号处理算法，包括：基带发射信号生成模块、环境杂波模拟模块、目标回波生成模块、脉冲压缩处理模块、杂波干扰抑制模块、基本成像处理模块等，内嵌的模块算法库涵盖了多种波段多种体制的基本雷达信号处理算法，可以基本满足初学者的系统仿真使用。该系统具体包括：
1.雷达信号生成模块
雷达信号生成模块模块主要完成雷达基带的仿真，可产生各个波段的雷达模拟信号，如：C、X、Ku、Ka等频段；发射基带信号包含线性调频、非线性调频、相位编码等基带信号类型，信号波形如图3(a)～图3(d)所示。
该模块读取到使用者在参数设置界面输入的工作波段、工作带宽、脉冲宽度、信号类型等信息后，会仿真生成相对应的发射信号。以线性调频脉冲信号为例简要说明本模块信号生成的数学原理：
大时宽的宽频信号有很多形式，在雷达系统中最常用的是线性调频(LinearFrequency Modulation，LFM)脉冲信号。LFM脉冲信号的载频在脉冲宽度范围内线性变化，具有更宽的带宽。LFM信号的复数表达式为：
其中，s(τ)为线性调频脉冲信号的数学模型，为矩形窗函数，τ为快时间间隔，T为脉冲重复周期，e为指数函数，j为虚数单位，f0为初始载频；K为发射线性调频信号的调频斜率，K＝B/T，B为信号带宽。
在具体运行时，该模块读取输入界面的参数设置，进行基带信号的仿真，仿真生成的数据会以.mat的格式保存进软件系统的输出数据文件夹，方便单独调用该数据，同时信号波形图会及时在界面显示。
2.目标信号生成模块
在窄带仿真模式下，此模块会根据目标类型、目标距离、目标速度等输入参数进行点目标的运动形式的建模，还是以发射LFM脉冲信号为例，此时接收到的目标回波数学模型为：
其中，SR(τ,t)为接收目标回波数学模型，rect()为矩形窗函数，τ是快时间间隔，t是慢时间间隔；td为信号在雷达和目标间往返的时间延迟，td＝2R/c，R为目标相对雷达的距离，c为光速；Ta为观测的积累时间。对于非高速运动的目标，仿真建模服从传统的“停-走-停”模型，可以看作在雷达积累回波的周期内目标是静止的，在每次接收回波的间隔目标是运动的。
在宽带仿真模式下，此模块首先根据目标类型建立目标散射点模型和转台成像模型，如图4所示，假设在一个相干处理间隔(CPI)内，旋转角变化为Δθ(t)＝θ′-θ，那么目标上某个散射点相对雷达距离的变化为：
其中，P(x,y)表示散射点P在旋转模型中的坐标，R(t)为转台成像模型中散射点P与雷达之间的距离随时间的变化关系，R0为目标中心到雷达之间的距离，x为散射点P在转台模型上的横坐标，y为纵坐标，Δθ(t)为旋转角随时间的变化量，θ(t)为在相干处理间隔较小的情况下Δθ(t)的近似表示，Δθ(t)可以泰勒展开为：θ′为旋转后的角度，θ为旋转前的角度，ω是旋转角速度，α是旋转角加速度，o为高阶无穷小符号。
此时接收到的目标回波数学模型为：
在具体运行时，当上一个仿真阶段成功生成雷达基带信号后，该模块会根据设置的参数生成相应的雷达回波信号，该信号包含所设置的杂波和环境噪声，仿真生成的数据以.mat的格式保存进软件系统的输出数据文件夹，以便单独调用数据。
3.脉冲压缩模块
脉冲压缩可较好地解决距离分辨率和探测距离之间的矛盾。利用宽脉冲发射信号保证足够探测距离的前提下，在接收端采用相应的匹配滤波器，通过脉冲压缩技术得到窄脉冲，以此来提高距离分辨率。主要分为两类方法：一种是针对线性调频信号的去斜率(Dechirp)方法；另一种是针对所有信号的传统匹配滤波方式。下面针对传统的匹配滤波原理进行介绍。
将参考信号记为S(t)，设滤波器的传输函数为H(w)，为满足最大输出信噪比，H(w)的表达式为：
其中，S*为S(t)傅里叶变换的共轭，t0是物理器件的时间延时，K为增益常数。
从时域角度看，匹配滤波器也可以用冲激函数h(t)来表示，则上式描述的滤波器冲击响应为：
h(t)＝KS*(t0-t)
脉冲压缩需要在雷达后端接收机由数字信号处理器件完成，而上述过程中，由于器件速度的限制，脉冲压缩的过程通常需要在零中频进行。滤波器输出可以由s(t)、h(t)卷积得到，也可以由他们的傅里叶变换乘积再经过傅里叶反变换得到。实际应用中，通过卷积直接做脉冲压缩运算需求较大，因此主要是从频域角度来实现匹配滤波。图5(a)～图5(d)为目标回波信号波形以及其脉冲压缩后的仿真结果，脉冲压缩后可以得到回波的距离维信息。
在具体运行时，该模块会读取雷达信号生成模块保存的数据作为匹配滤波的参考信号，读取目标信号生成模块保存的数据作为仿真的雷达回波，用以实现脉冲压缩的仿真，仿真生成的数据以.mat的格式保存进软件系统的输出数据文件夹，生成的一维距离像结果以图片方式在脉冲压缩界面显示。
4.杂波干扰抑制模块
雷达要探测的目标一般是运动的，比如空中的飞机、导弹，地面的车辆，海上的舰船等，本发明中模拟的探测目标也是如此。但在目标的周围经常存在着各种环境背景，例如地物、云雨、海浪以及敌人释放的金属丝干扰等。这些背景可能是静止的，如地面、山体和建筑物，也可能是缓慢运动的，如云雨、海面和金属丝干扰，一般来说，其运动速度远小于目标的运动速度。如果接收的回波信号中含有杂波，弱的目标淹没在强杂波中，特别是当强杂波使接收系统产生过载时，会使目标的观察变得困难。因此，在雷达信号处理过程中，选择运动目标回波而抑制固定杂波背景是很重要的问题。
区分运动目标和固定杂波的基础是它们在速度上的差别，由于相对于雷达视线方向的运动速度不同而引起回波信号频率产生的多普勒频移不相等，因此可以从频率上区分不同速度目标的回波。在本发明中利用动目标显示(MTI)算法滤除静态杂波，MTI处理的主要任务是通过设计带阻滤波器来抑制杂波。对于信号中的地杂波来说，其中心频率在零频附近且谱宽较小，可以用传统MTI滤波器来完成杂波抑制任务。
MTI滤波器利用杂波与运动目标的多普勒频率的差异，使得滤波器的频率响应在直流和PRF(脉冲重复频率)的整数倍处具有较深的阻带，而在其他频点的抑制较弱，从而通过较深的“凹口”抑制静止目标和静物杂波。在本发明中，采用两脉冲对消器，也称一次对消器，来实现MTI杂波抑制模块的设计，其滤波器结构如图6所示。算法具体实现过程为将本时刻发射脉冲的回波与前一时刻发射脉冲的回波相减，除去固定目标和慢速杂波，保留运动目标信息。
在具体运行时，该模块会读取脉冲压缩保存的数据作为输入，根据选择的杂波抑制算法实现杂波抑制处理，消除杂波对目标成像识别的影响，仿真输出的数据以.mat格式保存进软件系统的输出数据文件夹，杂波抑制前后的效果对比图在杂波抑制界面显示。
5.回波成像模块
干扰杂波抑制后的数据输出给雷达成像模块，窄带回波经傅里叶变换可生成RD谱，宽带回波经过运动补偿和转动补偿处理可实现ISAR成像。
对于RD谱成像处理，只需要对脉冲压缩后的数据进行慢时间维度的傅里叶变换即可实现。
对于ISAR成像处理，由于运动的目标与静止的雷达之间存在相对运动，成像前需要考虑运动补偿。对于非合作运动目标模型，当它处于雷达波束照射范围内的时间中时，目标相对雷达运动形式可分解为三部分：平动分量、转动分量和绕动分量。对于ISAR成像而言，绕动分量并不会产生多普勒信息，对成像没有贡献，而平动分量产生的多普勒信息对于成像无益，因此需要利用平动补偿尽可能的减少平动对成像造成的影响。经过合适的平动补偿后，非合作目标的回波便被转换为转动模型。
平动补偿通过包络对齐和相位校正两个步骤实现。包络对齐用于消除目标平动造成的雷达回波在距离向的错位，是进行相位校正和消除其他ISAR成像散焦因素的前提，其性能直接影响ISAR成像的质量。最小熵法包络对齐(最大锐化度包络对齐)利用熵值来表征相邻包络之间的相似性，将熵最小即锐化度最大时所对应的延迟量作为包络对齐的补偿值。
本发明的宽带回波经过运动补偿和转动补偿处理实现ISAR成像包括：
脉冲压缩后信号形式：
由于ISAR目标是运动的，故td引入多普勒频率：
其中，λ为波长，f＝2ωx/λ为多普勒频率，β＝2αx/λ为多普勒斜率。
当距离单元τ＝2(R0+y)/c在不同方位向位置包含K个散射点，距离单元中的接收信号表示为：
其中，sinc项中的时延表示包络偏移，进行包络补偿后可去除偏移造成的影响；相位项由R0+y引起，通过相位补偿去除其影响；相位项/>由xωt引起，表示多普勒频率，对其做方位向的傅里叶变换得到ISAR最终的成像结果。
如图7所示，包络对齐的步骤如下：
包络对齐之后使用相位梯度自聚焦(Phase Gradient Autofocus，PGA)，该方法采用对多特显点单元进行多次迭代和加窗的方法，进行目标上特显点单元的初相校正。特显点单元即包络对齐后，某距离单元幅度变化较小的距离单元。特显点法的关键在于特显点距离单元的位置。PGA包括四个基本步骤：中心移位、加窗、相位梯度估计以及相位校正。下面对上述四个步骤进行简要介绍。
第一步：将图像数据进行中心移位。即寻找每个距离行上的最强反射点，将其移至中心，以去掉目标点的多普勒频率偏移。
第二步：加窗。加窗的作用是去掉对相位误差估计无用的数据，仅保留目标点由于相位误差所造成的模糊区域，即误差的支撑域，加窗能提高待处理区域中的信杂比。
第三步：将数据转化为距离压缩域，依据一定的最优准则对相位梯度进行估计。该步骤利用了误差相位对于距离向的冗余特性，是PGA算法的核心部分。
第四步：对相位梯度进行积分，估计相位误差；在距离压缩域中补偿相位误差；最后还原至图像域，即完成单次算法循环。需要注意，单次循环往往无法达到最优效果，因此需要对该算法进行迭代执行，直至估计偏差满足需求为止。本发明ISAR成像的仿真结果如图8(a)～图8(b)所示。
在具体运行时，该模块首先根据设置的雷达仿真模式执行对应的成像算法，如果选择为窄带仿真模式，那么执行RD谱成像；如果选择为宽带仿真模式，那么执行ISAR成像的仿真。仿真模式确定后，读取经过杂波抑制的数据作为输入，实现相应模式下的回波成像处理，相应的输出数据以.mat格式保存进软件系统的输出数据文件夹，结果显示在回波图像界面。
实施例2，参照图2，本发明的多体制雷达仿真系统包括仿真参数控制、内部算法库和仿真结果显示，内部算法库包括雷达信号生成模块、目标信号生成模块、杂波信号生成模块、脉冲压缩模块、杂波干扰抑制模块和回波成像模块。
本发明中，系统仿真参数控制、仿真结果显示等使用C++通过QT开发实现，算法库部分的程序读到输入的参数后，仿真生成雷达基带信号和模拟杂波噪声环境下的目标回波，并对仿真数据进行保存，分别为数据文件a和数据文件b；然后仿真执行脉冲压缩环节，脉冲压缩模块会自动读取保存好的雷达基带信号仿真数据(数据文件a)和目标回波信号仿真数据(数据文件b)，通过匹配滤波的方式进行脉冲压缩，并将脉冲压缩后的数据进行保存，此为数据文件c；接着仿真进行杂波抑制环节，杂波干扰抑制模块会将典型的环境杂波滤除，提高信号的信杂比，抑制后的数据会保存进数据文件d；最后根据仿真参数设置的雷达工作模式的不同，窄带模式下进行RD谱成像仿真，宽带模式下则进行ISAR成像仿真，仿真得到的数据分别保存进数据文件e和数据文件f。以上各个主要环节的仿真结果在仿真过程中会通过图片的方式反馈到软件界面。
本发明在实测模式下，可以输入经过脉冲压缩处理后的实测数据，实现实测数据的杂波抑制和雷达成像处理，相应的雷达成像处理也包括窄带回波的RD谱成像和宽带回波的ISAR成像，同时对处理后的数据进行保存和结果显示。
本发明的多体制雷达仿真系统的关键点如下：
1.本发明所设计的雷达仿真软件实现了雷达信号处理的全过程仿真，解决了当前已有发明中雷达系统仿真软件仅实现了信号处理过程中的部分环节的问题。本发明软件整体包括雷达发射信号生成模块、雷达回波仿真模块、脉冲压缩模块、成像处理模块组成。同时设计中包含环境杂波仿真模块和杂波与干扰抑制模块，可以模拟实现环境杂波对回波造成的影响。图3(a)～图3(d)展示了本发明的发射信号仿真结果，图5(a)～图5(d)展示了各种回波脉冲压缩后的仿真结果。
2.本发明可以实现多种体制、多种波段雷达系统仿真，实现窄带跟踪雷达和宽带成像雷达两种工作模式的仿真，解决当前发明仅仅面向单一体制雷达的问题。本发明中，每种工作模式可以仿真多种工作波段和工作带宽。在软件的宽带成像雷达中，设计建立飞机、车辆等多类典型目标的散射点模型用以实现ISAR成像的仿真。图8(a)～图8(b)展示了各类目标散射点模型的ISAR成像仿真结果。
3.本发明支持实测数据的处理，提供实测数据处理的输入接口，解决了当前已有发明中缺少实测数据处理的问题。本发明中，在窄带模式下，可以实现输入脉冲压缩数据后对其进行杂波干扰抑制和成像处理；在宽带模式下，可以实现对实测数据的ISAR成像处理，进一步增加了本发明软件的使用范围。图9展示了本发明中实测数据ISAR成像处理结果，使用开源的Yak-42数据。
本发明可应用于雷达信号处理领域基本的建模与仿真，可供相关专业学习者使用，同时由于支持外部实测数据处理，因此兼备雷达实测数据处理的能力。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程。
根据本申请的实施例，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意各个方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤，所述信息数据处理终端不限于手机、电脑、交换机。
本发明实施例还提供了一种服务器，所述服务器用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
为进一步证明上述实施例的积极效果，本发明基于上述技术方案进行如下实验。
实验一：线性调频脉冲信号、非线性调频脉冲信号、编码脉冲信号、单频脉冲信号等基本信号仿真，实验结果如图3(a)～图3(d)所示；
实验二：典型发射信号下的回波信号脉冲压缩实验，实验结果如图5(a)～图5(d)所示；
实验三：仿真模型ISAR成像实验，实验结果如图8(a)～图8(b)所示；
实验四：实测数据ISAR成像实验，实验结果如图9所示。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多体制雷达仿真系统，其特征在于，该系统前端为软件显示平台，用于显示系统运行状态以及系统各个模块的仿真结果，实现人机交互；后端集成雷达算法模块库，雷达算法模块库集成雷达信号处理算法，包括雷达信号生成模块、目标信号生成模块、杂波信号生成模块、信号叠加模块、脉冲压缩模块、杂波干扰抑制模块和回波成像模块；
其中，雷达信号生成模块，用于通过读取输入界面的参数设置实现雷达基带信号的仿真，并产生各个波段的雷达仿真信号；
目标信号生成模块，用于在生成雷达基带信号后根据设置的参数生成相应的雷达回波信号，并构建目标回波数学模型；
杂波信号生成模块，用于仿真环境中的各类杂波，根据输入界面的选择生成相应的杂波信号；
信号叠加模块，用于仿真目标回波信号与杂波信号叠加，生成模拟实际场景下的目标回波信号；
脉冲压缩模块，用于利用参考信号与回波信号的互相关实现脉冲压缩处理，通过脉冲压缩得到目标的距离信息；
杂波干扰抑制模块，用于读取脉冲压缩保存的数据作为输入，利用动目标显示算法滤除静态杂波，实现杂波抑制处理；
回波成像模块，用于将干扰杂波抑制后的数据进行雷达成像处理，窄带回波经傅里叶变换生成RD谱；宽带回波进行平动补偿和转动补偿处理后，再经过方位向傅里叶变换实现ISAR成像。
2.一种控制方法，其特征在于，该控制方法用于对权利要求1所述的多体制雷达仿真系统进行调控，该控制方法包括以下步骤：
S1，雷达信号生成模块读取输入参数设置界面的参数信息，并进行雷达基带信号仿真，生成各个频段的雷达仿真信号并保存；
S2，在生成雷达基带信号后，目标信号生成模块根据设置的参数生成雷达回波信号，并构建目标回波数学模型；
S3，利用杂波信号生成模块仿真环境中的杂波，根据输入界面的选择生成杂波信号；利用信号叠加模块仿真目标回波信号与杂波信号叠加，生成模拟实际场景下的目标回波信号；
S4，读取雷达信号生成模块保存的数据作为匹配滤波的参考信号，读取目标信号生成模块保存的数据作为仿真的雷达回波，实现脉冲压缩仿真；
S5，读取脉冲压缩保存的数据作为输入，根据选择的杂波抑制算法实现杂波抑制处理，消除杂波对目标成像识别的影响；
S6，根据设置的雷达仿真模式执行对应的成像算法确定仿真模式，读取经过杂波抑制的数据作为输入，实现相应模式下的回波成像处理。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，在步骤S1中，参数信息包括工作波段、工作带宽、脉冲宽度和信号类型；信号类型包含线性调频、非线性调频和相位编码；频段包括C,X,Ku,Ka；
线性调频脉冲信号的载频在脉冲宽度范围内线性变化，复数表达式为：
式中，s(τ)为线性调频脉冲信号的数学模型，为矩形窗函数，τ为快时间间隔，T为脉冲重复周期，e为指数函数，j为虚数单位，f0为初始载频；K为发射线性调频信号的调频斜率，K＝B/T，B为信号带宽；
雷达基带信号仿真生成的数据以.mat的格式保存至软件系统的输出数据文件夹，同时将信号波形图在界面进行显示。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，在步骤S2中，目标信号生成模块根据设置的参数生成雷达回波信号，并构建目标回波数学模型，包括：
在窄带仿真模式下，目标信号生成模块根据输入参数进行点目标的运动形式的建模；输入参数包括：目标类型、目标距离和目标速度；
针对线性调频脉冲信号，接收到的目标回波数学模型为：
式中，SR(τ,t)为接收目标回波数学模型，rect()为矩形窗函数，τ为快时间间隔；td为信号在雷达和目标间往返的时间延迟，td＝2R/c，R为目标相对雷达的距离，c为光速；T为脉冲重复周期，t为慢时间间隔，Ta为观测的积累时间，e为指数函数，j为虚数单位，f0为初始载频，K为发射线性调频信号的调频斜率；
在宽带仿真模式下，目标信号生成模块根据目标类型建立目标散射点模型和转台成像模型；当在一个相干处理间隔内，旋转角变化为Δθ(t)＝θ′-θ，则目标上散射点P(x,y)相对雷达距离的变化为：
式中，P(x,y)为散射点P在旋转模型中的坐标，R(t)为转台成像模型中散射点P与雷达之间的距离随时间的变化关系，R0为目标中心到雷达之间的距离，x为散射点P在转台模型上的横坐标，y为纵坐标，Δθ(t)为旋转角随时间的变化量，θ(t)为在相干处理间隔较小的情况下Δθ(t)的近似表示，θ′为旋转后的角度，θ为旋转前的角度，ω为旋转角速度，α为旋转角加速度，o为高阶无穷小符号；
接收到的目标回波数学模型为：
当在仿真阶段生成雷达基带信号后，目标信号生成模块根据设置的参数生成相应的雷达回波信号，其中雷达回波信号包含设置的杂波和环境噪声，目标信号仿真生成的数据以.mat的格式保存至软件系统的输出数据文件夹。
5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，在步骤S3中，杂波包括地杂波和气象杂波。
6.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，在步骤S4中，脉冲压缩仿真，包括：读取雷达信号生成模块保存的数据作为匹配滤波的参考信号，读取目标信号生成模块保存的数据作为仿真的雷达回波，利用参考信号与雷达回波的互相关实现脉冲压缩的仿真；
脉冲压缩仿真生成的数据以.mat的格式保存进软件系统的输出数据文件夹，生成的一维距离像结果以图片方式在脉冲压缩界面显示。
7.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，在步骤S5中，根据选择的杂波抑制算法实现杂波抑制处理，消除杂波对目标成像识别的影响，包括：
利用动目标显示算法设计带阻滤波器滤除静态杂波；采用两脉冲对消器实现MTI杂波抑制模块的设计，将本时刻发射脉冲的回波与前一时刻发射脉冲的回波相减，除去固定目标和慢速杂波，保留运动目标信息；
杂波干扰抑制仿真输出的数据以.mat格式保存至软件系统的输出数据文件夹，杂波抑制前后的效果对比图在杂波抑制界面显示。
8.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，在步骤S6中，实现相应模式下的回波成像处理，包括：
根据设置的雷达仿真模式执行对应的成像算法，如果选择为窄带仿真模式，则执行RD谱成像模式；如果选择为宽带仿真模式，则执行ISAR成像仿真模式；
仿真模式确定后，读取经过杂波抑制的数据作为输入，实现相应模式下的回波成像处理；其中，回波成像仿真相应的输出数据以.mat格式保存至软件系统的输出数据文件夹，结果显示在回波图像界面；
干扰杂波抑制后的数据输出至雷达成像模块，窄带回波经傅里叶变换生成RD谱，宽带回波经过运动补偿和转动补偿处理实现ISAR成像；对脉冲压缩后的数据进行慢时间维度的傅里叶变换实现RD谱成像处理；
将目标相对雷达运动形式分解为平动分量、转动分量和绕动分量，经过平动补偿后，非合作目标的回波被转换为转动模型；
平动补偿包括包络对齐和相位校正两个步骤，包络对齐用于消除目标平动造成的雷达回波在距离向的错位；最小熵法包络对齐利用熵值表征相邻包络间的相似性，将熵最小锐化度最大时对应的延迟量作为包络对齐的补偿值。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，宽带回波经过运动补偿和转动补偿处理实现ISAR成像包括：
脉冲压缩后信号形式为：
式中，S(τ,t)为脉冲压缩后的信号形式，τ为快时间间隔，t为慢时间间隔，为矩形窗函数，Ta为观测的积累时间，B为信号带宽，td为信号在雷达和目标间往返的时间延迟，e为指数函数，j为虚数单位；
由于ISAR目标是运动的，故td引入多普勒频率：
f＝2ωx/λ
β＝2ax/λ
式中，R0为目标中心到雷达之间的距离，y为散射点P在转台模型上的纵坐标，c为光速，λ为波长，f为多普勒频率，β为多普勒斜率；
当距离单元τ＝2(R0+y)/c在不同方位向位置包含K个散射点，距离单元中的接收信号表示为：
式中，K为仿真模型中不同方位向位置包含的散射点数目；
sinc项中的时延表示包络偏移，进行包络补偿后去除偏移造成的影响；相位项由R0+y引起，通过相位补偿去除影响；相位项/>由xωt引起，表示多普勒频率，通过方位向的傅里叶变换得到ISAR最终成像结果。
10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，包络对齐后使用相位梯度自聚焦，采用对多特显点单元进行多次迭代和加窗的方法进行目标特显点单元的初相校正，包括中心移位、加窗、相位梯度估计以及相位校正，包络对齐的具体步骤如下：
第一步：将图像数据进行中心移位：确定每个距离行上的最强反射点，将最强反射点移至中心，以去掉目标点的多普勒频率偏移；
第二步：加窗：利用加窗去掉对相位误差估计无用的数据，仅保留目标点由于相位误差所造成的模糊区域，确定误差的支撑域；
第三步：利用误差相位对于距离向的冗余特性，将数据转化为距离压缩域，依据一定的最优准则对相位梯度进行估计；
第四步：对相位梯度进行积分，估计相位误差；在距离压缩域中补偿相位误差；最后还原至图像域，完成单次算法循环；对算法进行迭代执行，直至估计偏差满足需求为止。
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